章 志,劉憲光,周 凱,林偉波,冒士鳳,李蘭滿

(1.江蘇省海涂研究中心,江蘇 南京 210036; 2.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210007)

0 引言

海岸脆弱性最初由GORNITZ[1]于1990年提出,用于反映海岸對全球氣候變化和海平面上升的適應(yīng)程度。海岸脆弱性內(nèi)涵豐富,包括生態(tài)脆弱性、環(huán)境脆弱性和侵蝕脆弱性[2]。海岸侵蝕是中國沿海地區(qū)的主要海洋環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害[3],識別海岸侵蝕脆弱性對于提升海岸侵蝕防護(hù)能力意義重大。海岸脆弱性的計(jì)算多采用指數(shù)法,主要有海岸脆弱性指數(shù)(coastal vulnerability index,CVI)和海岸敏感性指數(shù)(coastal sensitivity index,CSI)。CVI指數(shù)最初由GORNITZ[4]提出,評價(jià)因子包括地貌類型、岸線變化速率、海岸坡度、海平面變化速率、有效波高和平均潮差共6個(gè)物理量因子,此后不同學(xué)者進(jìn)一步豐富了評價(jià)因子,比如增加人口、道路等社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性因子。評價(jià)方法在國內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用,國外學(xué)者針對美國東海岸[5]、印度東北部海岸[6-7]、印度巴拉索爾海岸[8]和巴西東北海岸[9]運(yùn)用CVI指數(shù)開展了海岸脆弱性評價(jià),國內(nèi)學(xué)者也針對全國海岸[10]、廢黃河三角洲[11]、長江三角洲[12]、海南島[13]等區(qū)域運(yùn)用CVI指數(shù)開展了海岸脆弱性評價(jià)。ABUODHA[14]認(rèn)為脆弱性反映了海洋災(zāi)害對人口的影響程度,如果僅考慮海岸物理因子,可用敏感性代替脆弱性,提出CSI指數(shù)并評價(jià)了澳大利亞東南海岸脆弱性,此后不同學(xué)者對希臘西部海岸[15]、渤海灣[16]進(jìn)行了海岸敏感性評價(jià)。

由于1855年黃河北歸,海岸泥沙輸入驟減,江蘇中部海岸的廢黃河三角洲成為我國海岸侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一[17]。現(xiàn)有防護(hù)工程阻止了岸線后退,但岸灘下蝕仍然嚴(yán)重,海岸組成物質(zhì)粗化,岸灘陡化,侵蝕有向南擴(kuò)展的趨勢[18]。很多學(xué)者對廢黃河三角洲海岸侵蝕特征、過程和趨勢進(jìn)行了研究[19-21],但針對海岸侵蝕脆弱性的研究仍然較少,其中部分原因是海岸灘涂區(qū)域地形復(fù)雜,數(shù)據(jù)獲取困難。本文從海岸動(dòng)力、海岸形態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等三個(gè)方面建立評價(jià)指標(biāo)體系,基于數(shù)字化海岸線分析系統(tǒng)(digital shoreline analysis system,DSAS)[22]和遙感數(shù)據(jù),采用斷面法將海岸離散為等間距的評價(jià)單元,進(jìn)而計(jì)算海岸斷面侵蝕脆弱性指數(shù),并對江蘇中部海岸侵蝕脆弱性進(jìn)行分級,利用地理探測器識別江蘇海岸侵蝕脆弱性的主要影響因子。該研究可進(jìn)一步豐富海岸侵蝕脆弱性評估理論和方法,為海洋風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃以及海岸整治修復(fù)提供技術(shù)支撐。

圖1 研究區(qū)及斷面分布圖Fig.1 Study area and section distribution map

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于江蘇中部海岸灌河口至方塘河口南側(cè),經(jīng)緯度范圍為119°44′E—120°01′E,32°38′N—34°30′N。江蘇中部海岸是典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸,在潮差大、波浪弱以及泥沙來源豐富等多種因素共同作用下,江蘇海岸形成了寬闊平坦的潮灘。1855年黃河北歸,海岸泥沙來量驟減,泥沙動(dòng)力條件突變,從廢黃河口至海岸及水下三角洲開始被侵蝕改造,侵蝕的泥沙向中部輸送,中部海灘不斷淤長,但淤積速度逐漸減慢,范圍逐漸縮小,海岸線趨于平直。廢黃河口及其兩翼為侵蝕海岸,射陽河口至新洋港為沖淤過渡海岸,新洋港河口以南為淤積海岸[23]。海岸受東海前進(jìn)潮波和南黃海旋轉(zhuǎn)潮波控制,沿岸海區(qū)為正規(guī)半日潮,其中,廢黃河三角洲海岸平均潮差在南段為1.6～1.8 m,在北段為1.8～2.7 m[24]。

2 研究方法

2.1 評價(jià)指標(biāo)選擇

海岸侵蝕脆弱性通常受海岸動(dòng)力、海岸形態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素共同影響。江蘇中部海岸為粉砂淤泥質(zhì)海岸,海岸的淤長與侵蝕很大程度上受波浪、潮流、供水供沙等海岸動(dòng)力因素的影響[13]。因此,選取平均潮差、平均有效波高和海水含沙量作為海岸侵蝕脆弱性評價(jià)的動(dòng)力因子。

海岸形態(tài)特征包括海岸高程、海岸線變化、等深線變化、潮灘坡度和潮灘寬度。海拔越低的地方越易因受到淹沒而被侵蝕,因此海岸高程越小,海岸侵蝕脆弱性越高。海岸線變化是對海岸沖淤過程的直接響應(yīng),同時(shí)也反映了海岸侵蝕狀況,淤長型海岸的侵蝕脆弱性更低[25]。此外,廢黃河口海岸線雖停止后退,但岸灘下蝕仍然嚴(yán)重,僅通過海岸線變化速率難以反映海岸侵蝕脆弱性,可通過等深線變化速率反映岸灘侵蝕狀況。潮灘坡度是海岸侵蝕脆弱性評估的一個(gè)重要因素[26],水位上升相同高度,潮灘坡度越小,被淹沒的范圍越大,海岸侵蝕脆弱性越高。潮灘因岸線不斷后退以及海堤對其向陸擴(kuò)展的限制而變窄,潮灘寬度影響著海岸侵蝕脆弱性,潮灘寬度越大,其應(yīng)對極端天氣和消浪的能力越強(qiáng)[27]。因此選擇海岸高程、海岸線變化速率、等深線變化速率、潮灘坡度和潮灘寬度作為海岸侵蝕脆弱性評價(jià)的形態(tài)特征因子。

海岸侵蝕脆弱性還可通過社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性和恢復(fù)力進(jìn)行表征。社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性指人口、財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境等承災(zāi)因子遭受破壞的難易程度[28]。人口密度越大、海岸開發(fā)程度越高的區(qū)域面臨侵蝕脆弱性風(fēng)險(xiǎn)越高,而人均GDP和一般公共預(yù)算支出大的區(qū)域反映了個(gè)人和政府對自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的抵御能力更強(qiáng)。因此,選擇人口密度、地表覆蓋類型、GDP、人均GDP和一般公共預(yù)算支出作為海岸侵蝕脆弱性評價(jià)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子。

本研究選取的評價(jià)指標(biāo)如表1所示。為了方便指標(biāo)計(jì)算,利用ArcGIS軟件和DSAS模型,繪制大致平行于海岸線走向的基線,沿基線生成垂線斷面,進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)提取計(jì)算。

表1 海岸侵蝕脆弱性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重及等級Tab.1 Weights and grades of coastal erosion vulnerability assessment indicators

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1)平均潮差。平均潮差是潮汐強(qiáng)度的一種重要指示,強(qiáng)潮海灘在面臨風(fēng)暴潮時(shí)有更大的緩沖空間[29],海灘的脆弱性與潮差成反比[30]。平均潮差數(shù)據(jù)采用國家海洋信息中心(http://global-tide.nmdis.org.cn/)發(fā)布的燕尾、濱海港、射陽河口、新洋港、大豐港和弶港驗(yàn)潮站2020年潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。各驗(yàn)潮站所代表岸段的潮位信息見表2。

表2 2020年江蘇中部海洋潮位數(shù)據(jù)Tab.2 Marine tide data of central Jiangsu in 2020

2)平均有效波高。平均有效波高與波能密度之間呈正相關(guān)關(guān)系,可用平均有效波高來反映波能密度。平均有效波高越大,波能密度越大,波浪能量越強(qiáng),引起的輸沙量也越大,越易導(dǎo)致海岸侵蝕[31]。因此,平均有效波高越大,海岸侵蝕脆弱性越高。平均有效波高采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECWF)再分析數(shù)據(jù)(https://cds.climate.copernicus.eu/),采用插值方法獲得平均有效波高分布,并提取斷面與10 m等深線相交處的平均有效波高。

3)海水含沙量。海水含沙量越大,海岸侵蝕脆弱性越低?；趯?shí)測數(shù)據(jù)對海域泥沙含量進(jìn)行插值處理,通過斷面與5 m等深線相交,提取交點(diǎn)處泥沙含量作為斷面的含沙量數(shù)據(jù)。海水含沙量實(shí)測數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[12]。

4)海岸高程。海岸高程與海岸侵蝕脆弱性呈反比關(guān)系。采用2019年美國國家航空航天局和日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布的分辨率為30 m的全球數(shù)字高程模型(global digitial elevation model,GDEM),通過斷面與海岸高程數(shù)據(jù)疊加,提取相交位置的高程數(shù)據(jù)。

5)海岸線變化速率。選取1997年和2017年含云量少、清晰度高的空間分辨率為30 m的 Landsat影像共4景(見表3)。通過目視解譯方法,提取了1997年和2017年的海岸線,采用終點(diǎn)變化率(end point rate,EPR)方法計(jì)算海岸線變化速率,其中正值為向海推進(jìn),負(fù)值為向陸后退:

表3 遙感數(shù)據(jù)來源及具體參數(shù)Tab.3 Data source and specific parameters of remote sensing images

(1)

式中:D1、D2分別為垂直于基線的直線與最早、最晚一期岸線的交點(diǎn)到基線的距離;T1、T2為最早一期岸線時(shí)間與最晚一期岸線時(shí)間。

6)等深線變化速率。分別對1980年和2018年海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理,獲得5 m等深線,同樣采用終點(diǎn)變化率方法計(jì)算5 m等深線的變化,用于反映水下岸坡的變化情況。

7)潮灘坡度。潮灘坡度越小,海岸侵蝕脆弱性越高。選取了2021年4期Landsat影像數(shù)據(jù)(見表3)用于提取水邊線,結(jié)合潮位數(shù)據(jù),計(jì)算潮灘坡度。受海水含沙量和海水深度的影響,淤泥質(zhì)海岸水邊線提取存在困難,因此選擇穩(wěn)定性更好的監(jiān)督分類方法,獲得水邊線數(shù)據(jù)?；诒O(jiān)督分類方法分別提取4個(gè)時(shí)相不同潮位條件下的水邊線;根據(jù)不同時(shí)相水邊線的瞬時(shí)潮位計(jì)算潮位差Δh;根據(jù)水邊線的平面位置差異得到平距L;利用潮位差與平距之比,求出岸灘的坡度i,其計(jì)算公式如下:

(2)

由于潮汐表只有當(dāng)日固定時(shí)刻的潮位、潮時(shí)數(shù)據(jù),衛(wèi)星過境時(shí)刻的瞬時(shí)潮位數(shù)據(jù)需利用下式進(jìn)行推算:

(3)

式中:h為任意時(shí)刻潮高,Hhigh為當(dāng)天高潮潮高,ΔH為當(dāng)日潮差,t為衛(wèi)星過境時(shí)刻,Thigh為當(dāng)日高潮時(shí),Tlow為當(dāng)日低潮時(shí)。

8)潮灘寬度。潮灘寬度越大,海岸侵蝕脆弱性越低。利用ArcGIS軟件,分別求取斷面與平均大潮高潮線、斷面與海圖0 m等深線的交點(diǎn),計(jì)算平均大潮高潮線到海圖0 m等深線的距離,獲得潮灘寬度。

9)人口密度。人口密度越高、活動(dòng)量越大的海岸帶侵蝕脆弱性越高。人口密度數(shù)據(jù)來源于世界人口(WorldPop)2020年人口密度數(shù)據(jù)集(https://hub.worldpop.org/),利用ArcGIS 軟件,對斷面與人口密度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,進(jìn)而獲得斷面的人口密度數(shù)據(jù)。

10)地表覆蓋類型。土地利用覆蓋類型數(shù)據(jù)來源于自然資源部發(fā)布的GlobeLand30地表覆蓋類型數(shù)據(jù)集(http://www.globallandcover.com/),土地類型分為耕地、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表和裸地。土地開發(fā)強(qiáng)度越大的地方,海岸侵蝕脆弱性越高。利用ArcGIS 軟件對斷面與土地利用覆蓋類型數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,進(jìn)而獲得斷面的地表覆蓋類型數(shù)據(jù)。

11)GDP。GDP越大的地方,海岸侵蝕脆弱性越高。GDP數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心,利用ArcGIS 軟件對斷面和GDP網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,進(jìn)而獲得斷面的GDP值。

12)人均GDP。人均GDP 反映了當(dāng)?shù)厥杖胨?表示當(dāng)面對海岸侵蝕等自然災(zāi)害時(shí),個(gè)人的恢復(fù)適應(yīng)能力,人均GDP越大的區(qū)域海岸侵蝕脆弱性越低。人均GDP數(shù)據(jù)來源于2019年鹽城統(tǒng)計(jì)年鑒[32]。

13)一般公共預(yù)算支出。一般公共預(yù)算支出反映政府層面綜合應(yīng)對自然災(zāi)害的能力,一般公共預(yù)算越大的區(qū)域海岸侵蝕脆弱性越低。一般公共預(yù)算支出數(shù)據(jù)來源于2019年鹽城統(tǒng)計(jì)年鑒[32]。

2.3 指標(biāo)評價(jià)權(quán)重和等級確定

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法,其優(yōu)勢在于權(quán)重確定過程可避免人為干擾。本研究采用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[33]。指標(biāo)等級的確定采用自然斷點(diǎn)法。自然斷點(diǎn)法是基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組,對分類間隔加以識別,可對相似值進(jìn)行最恰當(dāng)?shù)姆纸M,并可使各個(gè)類之間的差異最大化,在各類數(shù)據(jù)值差異較大的位置設(shè)置邊界,實(shí)現(xiàn)指標(biāo)等級的確定[4,34]。根據(jù)自然斷點(diǎn)法可將評價(jià)指標(biāo)分為5個(gè)等級,分別為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱,各指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重如表1所示。

2.4 海岸侵蝕脆弱性評價(jià)方法

海岸侵蝕脆弱性的評價(jià)方法為:1)繪制大致平行于海岸線走向的基線;2)自北向南沿基線生成垂線,垂線即為斷面,斷面間隔為200 m,共生成2 331條斷面;3)用DSAS模型計(jì)算海岸線變化速率和等深線變化速率,計(jì)算斷面從平均大潮高潮線到0 m等深線的距離以獲得潮灘寬度,結(jié)合遙感影像水邊線和瞬時(shí)潮位數(shù)據(jù)計(jì)算潮灘坡度;4)以潮位站平均潮差代表的岸段潮位信息(表2),獲得斷面所在岸段的平均潮差數(shù)據(jù);5)利用ArcGIS Extract Multi Values To Points工具獲得斷面的平均有效波高、海水含沙量、海岸高程、GDP、地表覆蓋類型、人口密度數(shù)據(jù);6)利用ArcGIS軟件疊加分析工具,將斷面與鹽城沿?？h(市、區(qū))人均GDP和一般公共預(yù)算支出數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,獲得斷面的人均GDP和一般公共預(yù)算支出數(shù)據(jù);7)按照自然斷點(diǎn)法,對單因子的脆弱性等級進(jìn)行劃分;8)以2 331條斷面作為樣本,計(jì)算各斷面評價(jià)指標(biāo)的信息熵和權(quán)重,基于權(quán)重和指標(biāo)評分值計(jì)算各斷面的海岸侵蝕脆弱性指數(shù)(I);9)按照自然斷點(diǎn)法,獲得海岸斷面的侵蝕脆弱性等級,并按照脆弱性等級連接斷面與海岸線的交點(diǎn),形成連續(xù)的海岸侵蝕脆弱性空間分布。

(4)

式中:I為海岸侵蝕脆弱性指數(shù);Wi為單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重;Ci為單項(xiàng)指標(biāo)的評分值,極低脆弱、低脆弱、中脆弱、高脆弱、極高脆弱的評分值分別為1、2、3、4、5。

2.5 海岸侵蝕驅(qū)動(dòng)力分析

地理探測器是一種以空間統(tǒng)計(jì)學(xué)和空間自相關(guān)為理論基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,用于分析各種現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)力以及多因子交互作用[35]。該方法可獨(dú)立處理自變量及因變量,分析空間分布的相似性,還可判斷兩因子交互作用及其強(qiáng)弱,相較其他空間異質(zhì)性探測工具,具有更高的解釋效率[36]。本研究利用地理探測器中的因子探測和因子交互探測模塊分析海岸侵蝕脆弱性的驅(qū)動(dòng)力。以海岸侵蝕脆弱性指數(shù)作為因變量Y,以海岸侵蝕脆弱性評價(jià)指標(biāo)作為自變量X,采用自然斷點(diǎn)法將自變量X與因變量Y進(jìn)行分類,按類別對研究區(qū)域進(jìn)行子區(qū)域劃分,將海岸侵蝕脆弱性圖層與指標(biāo)圖層疊加,根據(jù)兩個(gè)圖層間的方差大小,計(jì)算q值。因子探測計(jì)算公式如下:

(5)

q的值域?yàn)閇0,1],q值越大,說明該項(xiàng)指標(biāo)空間變化程度對海岸侵蝕脆弱性空間變化程度影響越強(qiáng),即空間分異的驅(qū)動(dòng)力越強(qiáng)。

因子交互探測用于識別評價(jià)指標(biāo)之間的交互作用,即評價(jià)指標(biāo)X1和X2共同作用是否會(huì)增加或減弱對因變量Y的解釋力,或者這些評價(jià)指標(biāo)對Y的影響是否相互獨(dú)立。其方法是首先分別計(jì)算兩種指標(biāo)對因變量Y的q(X1)和q(X2)值;其次,計(jì)算兩種指標(biāo)交互的q(X1∩X2)值;最后對q(X1)、q(X2)和q(X1∩X2)進(jìn)行比較,其判別標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[34]。

3 結(jié)果與分析

3.1 海岸動(dòng)力因子分析

平均潮差(C1)。研究區(qū)北部近海受以無潮點(diǎn)為中心的旋轉(zhuǎn)波控制,南部海區(qū)受東海前進(jìn)潮波制約,兩個(gè)潮波在弶港岸外輻合。川東港—方塘河口南側(cè)平均潮差最大,為444.38 cm;射陽河口—斗龍港平均潮差最小,為211.76 cm。潮差整體上以射陽河口為中心向南北兩側(cè)增大。各斷面按平均潮差劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為15.78%、27.90%、15.08%、36.25%和20.77%,結(jié)果如圖2所示。

I—海岸侵蝕脆弱性指數(shù);C1—平均潮差;C2—平均有效波高;C3—海水含沙量;C4—海岸高程;C5—海岸線變化速率;C6—等深線變化速率;C7—潮灘坡度;C8—潮灘寬度;C9—人口密度;C10—地表覆蓋類型;C11—GDP;C12—人均GDP;C13—一般公共預(yù)算支出圖2 海岸侵蝕脆弱性分布Fig.2 Distribution map of coastal erosion vulnerability

平均有效波高(C2)。研究區(qū)平均有效波高自北向南呈現(xiàn)增加的趨勢,各斷面根據(jù)平均有效波高劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為29.66%、13.65%、5.80%、9.31%和41.58%,結(jié)果如圖2所示。

海水含沙量(C3)。江蘇中部近岸海域泥沙含量由北到南逐漸增加,在灌河口—中山河口段最小,為0.2 g/L,在梁垛河口附近達(dá)到0.43 g/L。各斷面根據(jù)海水含沙量劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為26.02%、11.92%、31.96%、9.33%和20.77%,結(jié)果如圖2所示。

3.2 海岸形態(tài)因子分析

海岸高程(C4)。海岸高程結(jié)果如圖3a所示。結(jié)果顯示, 江蘇中部海岸地勢整體平坦,海岸高程變化不大,主要分布于0～10 m之間。海岸高程以射陽河口為中心大致呈現(xiàn)北低南高的分布趨勢。射陽河口以北區(qū)域地勢起伏不大,南側(cè)地勢起伏變化相對較大。海岸高程較大的區(qū)域主要位于新洋港—川東港,高程較小的區(qū)域位于大豐港兩側(cè)、川東港—方塘河口南側(cè)區(qū)域。各斷面根據(jù)海岸高程劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為32.31%、15.14%、30.98%、15.43%和6.13%,結(jié)果如圖2所示。

圖3 海岸形態(tài)因子指標(biāo)值Fig.3 Index value of coastal morphology

海岸線變化速率(C5)?；贚andsat影像提取了1997年和2017年江蘇中部海岸線信息,計(jì)算了海岸線變化速率,結(jié)果如圖3b所示。整體上,江蘇中部海岸以射陽河口為界,射陽河口以北海岸線向岸后退,射陽河口以南海岸線向海推進(jìn)。向岸后退岸段位于灌河口到射陽河口之間,以廢黃河口為中心,20 年平均變化率為-0.46 m/a,廢黃河口北側(cè)海岸侵蝕趨緩,南側(cè)侵蝕加劇。向海推進(jìn)的岸段分布于射陽河口南側(cè),1997—2017年20 年間海岸線向海推進(jìn)速率平均為140.6 m/a。各斷面根據(jù)海岸線變化速率劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為37.61%、18.50%、14.05%、18.87%和10.97%,結(jié)果如圖2所示。

等深線變化速率(C6)?；?980年和2018年海圖數(shù)據(jù),提取了江蘇中部海域5 m等深線,計(jì)算了1980—2018年38年間5 m等深線變化速率,結(jié)果如圖3c所示。研究區(qū)水下地形整體上呈現(xiàn)北部侵蝕南部淤積的趨勢,侵蝕速率最大為-121.53 m/a,位于灌河口—中山河口段,淤積速率較大的區(qū)域位于斗龍港—大豐港以及川東港兩側(cè)區(qū)域。各斷面根據(jù)等深線變化速率劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為3.31%、15.01%、12.20%、49.32%和20.15%,結(jié)果如圖2所示。

潮灘坡度(C7)。江蘇中部海岸整體較平緩,平均坡度約為0.05%。潮灘坡度大小空間分布不均,坡度較大的區(qū)域位于廢黃河口—扁擔(dān)港,坡度較小的區(qū)域主要分布于灌河口—廢黃河口、川東港—方塘河口南側(cè)區(qū)域(圖3d)。各斷面根據(jù)潮灘坡度劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為15.36%、19.96%、6.99%、13.84%和43.85%,結(jié)果如圖2所示。

潮灘寬度(C8)。江蘇中部海岸潮灘廣闊,潮灘寬度分布整體上以射陽河口為界,北部由灌河口往南減小,射陽河口以南的區(qū)域潮灘寬度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(圖3e)。各斷面根據(jù)潮灘寬度劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為36.01%、21.32%、20.77%、13.13%和8.77%,結(jié)果如圖2所示。

3.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子分析

人口密度(C9)。人口密度越大的區(qū)域,海岸侵蝕脆弱性越大。研究區(qū)人口分布不均,沿海岸線人口密度較低,平均為73 人/km2,人口密度呈現(xiàn)北高南低的分布趨勢,高值區(qū)域主要位于灌河口、濱海港、扁擔(dān)港區(qū)域。各斷面根據(jù)人口密度劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為6.26%、2.96%、11.10%、24.76%和54.92%,結(jié)果如圖2所示。

地表覆蓋類型(C10)。研究區(qū)地表覆蓋類型主要包括耕地、草地、鹽沼濕地、坑塘和人造地表。人造地表主要分布于灌河口、濱海港、大豐港等港口建成區(qū)域,耕地主要分布于扁擔(dān)港以北的區(qū)域,鹽沼濕地主要位于射陽河口北側(cè)、新洋港南側(cè)和東臺河口南側(cè)區(qū)域。各斷面根據(jù)地表覆蓋類型劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為6.97%、30.14%、0.65%和62.24%,結(jié)果如圖2所示。

GDP(C11)。地區(qū)生產(chǎn)總值越高社會(huì)經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá),受到災(zāi)害時(shí),其損失越大。GDP高值區(qū)域主要位于新洋港—斗龍港、灌河口區(qū)域,此外斗龍港—方塘河口南側(cè)區(qū)域整體GDP數(shù)值較大,GDP整體呈現(xiàn)南高北低的分布趨勢。各斷面根據(jù)GDP劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為5.04%、47.22%、19.57%、15.67%和12.50%,結(jié)果如圖2所示。

人均GDP(C12)。人均GDP反映了個(gè)人對災(zāi)害的恢復(fù)適應(yīng)能力,人均GDP越大的區(qū)域海岸侵蝕脆弱性越低。人均GDP高值區(qū)域主要是大豐區(qū)、東臺市,低值區(qū)主要位于濱?？h、射陽縣和響水縣。各斷面根據(jù)人均GDP劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為15.04%、21.51%、11.70%、18.20%和33.55%。

一般公共預(yù)算支出(C13)。一般公共預(yù)算支出可以反映政府的防災(zāi)、減災(zāi)、治災(zāi)能力,一般公共預(yù)算支出越大的區(qū)域海岸侵蝕脆弱性越低。一般公共預(yù)算支出的高值區(qū)主要位于東臺市、大豐區(qū),低值區(qū)主要位于響水縣、濱?？h和射陽縣。各斷面根據(jù)一般公共預(yù)算支出劃分的海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為11.70%、15.04%、21.51%、33.55%和18.20%,結(jié)果如圖2所示。

3.4 海岸侵蝕脆弱性空間分布特征

利用2 331條斷面數(shù)據(jù),計(jì)算了各項(xiàng)指標(biāo)的信息熵,獲得了指標(biāo)權(quán)重值,再根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重值和評分值計(jì)算各斷面的海岸侵蝕脆弱性指數(shù)。結(jié)果表明,江蘇中部海岸侵蝕脆弱性指數(shù)在1.301～3.770之間,平均值為2.000,整個(gè)海岸侵蝕脆弱性指數(shù)分為5個(gè)等級:極高脆弱(2.801～3.770]、高脆弱(2.293～2.801]、中脆弱(1.970 ～2.293]、低脆弱(1.718～1.970]、極低脆弱[1.301～1.718]。按照脆弱性等級連接斷面與海岸線的交點(diǎn),獲得連續(xù)的海岸侵蝕脆弱性指數(shù)(I)分布(圖3),江蘇海岸不同區(qū)域的侵蝕脆弱性分布如圖4所示。江蘇中部海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱的海岸有21.58 km,占海岸線總長度的5.60%,主要分布于中山河口—扁擔(dān)港、扁擔(dān)港—射陽河口岸段;為高脆弱的海岸有60.95 km,占海岸線總長度的15.80%,主要分布于中山河口—扁擔(dān)港、斗龍港—川東港岸段;為中脆弱的海岸有119.31 km,占海岸線總長度的30.93%,主要分布于灌河口—中山河口、新洋港—斗龍港岸段;為低脆弱的海岸有93.36 km,占海岸線總長度的24.21%,主要分布于川東港—方塘河口南側(cè)、扁擔(dān)港—射陽河口以及斗龍港—川東港岸段;為極低脆弱的海岸有90.50 km,占海岸線總長度的23.46%,主要分布于川東港—方塘河口南側(cè)、斗龍港—川東港岸段。從海岸侵蝕脆弱性空間變化來看,江蘇中部海岸自北向南海岸侵蝕脆弱性等級呈降低的趨勢,海岸侵蝕脆弱性較高的區(qū)域主要位于射陽河口以北,這些區(qū)域也是海岸侵蝕較嚴(yán)重的區(qū)域。川東港以南的海岸侵蝕脆弱性都在中脆弱以下,脆弱性較低。

圖4 不同區(qū)域海岸侵蝕脆弱性分布Fig.4 Distribution of coastal erosion vulnerability in different regions

3.5 海岸侵蝕脆弱性驅(qū)動(dòng)因子分析

研究發(fā)現(xiàn)江蘇中部海岸侵蝕脆弱性空間分布特征存在顯著的空間分異性。采用地理探測器的因子探測模塊分析各因子對海岸侵蝕脆弱性空間分異的影響力,對海岸侵蝕脆弱性因變量和13個(gè)自變量分別進(jìn)行因子探測,計(jì)算各指標(biāo)對海岸侵蝕脆弱性的影響程度,結(jié)果如表4所示(q值越大,表明該因子對海岸侵蝕脆弱性影響越大)?？梢园l(fā)現(xiàn),各指標(biāo)q值均通過顯著性檢驗(yàn)(p<0.05),說明本研究構(gòu)建的指標(biāo)體系合理。海岸侵蝕脆弱性評價(jià)指標(biāo)的q值排序?yàn)?潮灘坡度(0.47)>地表覆蓋類型(0.39)>平均潮差(0.37)>海岸線變化速率(0.31)>等深線變化速率(0.30)>海水含沙量(0.28)>GDP(0.27)>潮灘寬度(0.23)>人口密度(0.22)>平均有效波高(0.21)>人均GDP(0.13)>海岸高程(0.12)>一般公共預(yù)算支出(0.11)。江蘇中部海岸侵蝕脆弱性的空間分異是海岸動(dòng)力、海岸形態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子共同影響的結(jié)果,潮灘坡度、地表覆蓋類型、平均潮差、海岸線變化速率的q值均大于0.30,表明其對海岸侵蝕脆弱性的貢獻(xiàn)較大,是影響海岸侵蝕脆弱性空間分異的主導(dǎo)因素。相對而言,平均有效波高、人均GDP、海岸高程和一般公共預(yù)算支出對海岸侵蝕脆弱性空間分異的影響較小。

表4 海岸侵蝕脆弱性影響因子的q值Tab.4 The q value of influencing factor of coastal erosion vulnerability

為分析多因子作用下海岸侵蝕脆弱性的空間分異,利用地理探測器進(jìn)行了多因子交互探測分析,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從交互探測結(jié)果來看,雙因子交互作用的q值均大于單因子的q值,表現(xiàn)出雙因子增強(qiáng)的效應(yīng),不存在相互獨(dú)立的指標(biāo),表明了雙因子對海岸侵蝕脆弱性空間分異的影響均大于單個(gè)因子獨(dú)立的作用,說明海岸侵蝕脆弱性空間分異是多因子協(xié)同作用的結(jié)果,多因子交互增強(qiáng)了對海岸侵蝕脆弱性變化的解釋力。潮灘坡度與地表覆蓋類型、海岸線變化速率、平均有效波高、海水含沙量交互作用顯著,q值均大于0.70,其中,潮灘坡度與地表覆蓋類型的交互作用最強(qiáng),其q值為0.79,表明海岸形態(tài)自然因子和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子的交互作用對海岸侵蝕脆弱性產(chǎn)生了關(guān)鍵性的影響。值得注意的是,在單因子探測中貢獻(xiàn)度較低的平均有效波高在與潮灘坡度因子交互中影響力有了大幅度提升,反映了平均有效波高在與潮灘坡度因子共同作用下,更容易影響海岸侵蝕脆弱性的空間分異。

圖5 海岸侵蝕脆弱性因子交互探測Fig.5 Interactive detection of coastal erosion vulnerability indexes

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

江蘇中部海岸是典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸,目前海岸侵蝕脆弱性研究多考慮海岸形態(tài)特征,而對于社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素考慮不足。本文從海岸動(dòng)力特征、海岸自然形態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等三方面來反映海岸侵蝕脆弱性,指標(biāo)更加全面完整。在指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取方面,利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù),計(jì)算了潮灘坡度、海岸線變化速率、等深線變化速率,克服了在對淤泥質(zhì)海岸進(jìn)行侵蝕脆弱性評價(jià)時(shí)數(shù)據(jù)獲取困難的問題。在評價(jià)尺度方面,運(yùn)用DSAS和ArcGIS軟件將江蘇中部海岸離散為2 331條斷面,采樣間隔200 m,使得海岸侵蝕評價(jià)結(jié)果的精細(xì)化程度更高。在指標(biāo)權(quán)重確定方面,本文以采樣斷面為指標(biāo)樣本,計(jì)算指標(biāo)信息熵,求取指標(biāo)權(quán)重,避免了專家咨詢法中權(quán)重計(jì)算具有主觀性的問題。在海岸侵蝕脆弱性指標(biāo)的影響方面,引入地理探測器開展了海岸侵蝕脆弱性評價(jià)主導(dǎo)因子分析。地理探測器的精準(zhǔn)性隨樣本數(shù)的增加而提升,此次參加計(jì)算的樣本數(shù)達(dá)到2 331個(gè),對海岸侵蝕脆弱性驅(qū)動(dòng)因子解釋的可信度更高。

海岸侵蝕脆弱性評價(jià)結(jié)果表明,江蘇中部海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為5.60%、15.80%、30.93%、24.21%和23.46%,江蘇中部海岸自北向南海岸侵蝕脆弱性等級呈現(xiàn)整體下降的趨勢。劉小喜 等[11]研究認(rèn)為江蘇中部海岸侵蝕高脆弱區(qū)主要位于扁擔(dān)港兩側(cè),往南海岸侵蝕脆弱性較低,這與本文研究結(jié)果基本一致。YIN 等[10]研究了全國海岸帶侵蝕脆弱性認(rèn)為江蘇中部海岸均為侵蝕高脆弱和極高脆弱區(qū),與其研究結(jié)果相比,本研究的尺度較小,江蘇中部海岸分布有極高脆弱和高脆弱區(qū)域,亦有中脆弱、低脆弱和極低脆弱區(qū)域,結(jié)果更加符合江蘇中部海岸的實(shí)際狀況。單因子探測和交互因子探測結(jié)果表明,江蘇中部海岸侵蝕脆弱性空間分異是海岸動(dòng)力、海岸形態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子共同影響的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn),單因子探測中貢獻(xiàn)力較低的平均有效波高因子在與潮灘坡度因子的交互中,影響力有了大幅度提升,表明海岸動(dòng)力因子和海岸形態(tài)因子交互作用表現(xiàn)出更強(qiáng)的解釋力。潮灘坡度、地表覆蓋類型、平均潮差、海岸線變化速率對海岸侵蝕脆弱性的空間分異影響較大,多因子交互增強(qiáng)的結(jié)果表明海岸侵蝕是多因子共同作用的結(jié)果。因此,海岸侵蝕防護(hù)應(yīng)多措并舉,要堅(jiān)持人與自然和諧共生的理念,破除傳統(tǒng)“重岸輕灘”的海岸防護(hù)思維,將保護(hù)海岸與保護(hù)岸灘相結(jié)合,將自然與人工措施相結(jié)合,種植堿蓬、檉柳等提升海岸地表覆蓋度,建設(shè)生態(tài)化海堤,構(gòu)筑海岸防護(hù)生態(tài)屏障。此外,應(yīng)進(jìn)一步加大政府在一般公共預(yù)算中對海岸侵蝕防護(hù)的投入以增強(qiáng)海岸侵蝕的恢復(fù)力。

本研究充分利用實(shí)測數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)以及模擬數(shù)據(jù),并結(jié)合GIS技術(shù)使得評價(jià)數(shù)據(jù)的獲得相對容易,但海岸侵蝕脆弱性評價(jià)結(jié)果與數(shù)據(jù)的精細(xì)化程度也密切相關(guān),下一步工作應(yīng)更多關(guān)注有效波高、潮位數(shù)據(jù)、泥沙實(shí)測數(shù)據(jù),此外對于海岸外的自然生境也需要進(jìn)一步關(guān)注。

4.2 結(jié)論

從海岸動(dòng)力、海岸形態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面構(gòu)建了海岸侵蝕脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系,并采用斷面法計(jì)算了海岸侵蝕脆弱性指數(shù),獲得了江蘇中部海岸侵蝕脆弱性分布,基于地理探測器分析了海岸侵蝕脆弱性的主要影響因子,主要結(jié)論如下。

1)江蘇中部海岸侵蝕脆弱性為極高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和極低脆弱的比例分別為5.60%、15.80%、30.93%、24.21%和23.46%。從海岸侵蝕脆弱性空間分布來看,江蘇中部海岸自北向南侵蝕脆弱性等級整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。海岸侵蝕極高脆弱區(qū)主要分布于中山河口—射陽河口之間的海岸區(qū)域,川東港以南海岸侵蝕脆弱性最低。

2)海岸侵蝕脆弱性評價(jià)指標(biāo)的q值排序?yàn)?潮灘坡度(0.47)>地表覆蓋類型(0.39)>平均潮差(0.37)>海岸線變化速率(0.31)>等深線變化速率(0.30)>海水含沙量(0.28)>GDP(0.27)>潮灘寬度(0.23)>人口密度(0.22)>平均有效波高(0.21)>人均GDP(0.13)>海岸高程(0.12)>一般公共預(yù)算支出(0.11)。從海岸侵蝕脆弱性影響因素來看,潮灘坡度、地表覆蓋類型、平均潮差和海岸線變化速率是海岸侵蝕脆弱性空間分異的主導(dǎo)因子,尤其是潮灘坡度影響最大。

3)因子交互探測結(jié)果表明,江蘇中部海岸侵蝕脆弱性的空間分異是海岸動(dòng)力、海岸形態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子共同影響的結(jié)果。雙因子交互作用對海岸侵蝕脆弱性的影響均大于單因子的影響,其中潮灘坡度與地表覆蓋類型的交互效應(yīng)最大。